Smart Meter-løsning basert på lavspennings strømledningsbærer

1. Designbakgrunn og kjerneposisjonering

1. Teknisk og markedsrelatert bakgrunn
   Med rask utvikling av datateknologi, mikroelektronikk og kommunikasjonsteknologi, har lavspennings strømleder bærebølgeteknologi (220V) modenhet og et dominerende posisjon i feltet for automatiske målesystemer. I motsetning til høy spenning strømledere, på grunn av flere støyfaktorer og høye implementeringskostnader, har ikke oppnådd stor skala applikasjoner som fiber eller satellittkommunikasjon.
2. Systemposisjonering
   Den intelligente måleren designet i denne løsningen fungerer som den sentrale underliggende enheten i et multifunksjonelt lavspennings strømlederbærebølge fjernmålesystem. Den samhandler med datakonsentratorer og backend-administrasjonssystemer, med målet om å erstatte manuell måling i ulike situasjoner som lavspennings boligbrukere, store forbrukere (nøkkelpersoner), og transformer, for å til slutt oppnå full automatisering og intelligens i energiforvaltning.

II. Design av smart målers hardware

1. Helhetlig hardwarearkitektur
   Systemets hardware er senteret rundt en mikroprosessorenhet (MCU), integrert med støtteenheter som watchdog, data lagring, mangel på strøm deteksjon, energi konvertering, bærebølge kommunikasjon, visningsenhet, relékontroll, og måler strømforsyning. Hver modul samhandler for å sikre stabil og pålitelig drift av måleren. (Se figur 1 i originaldokumentet for strukturdiagram.)
2. Nøkkelenheter for hardwaremoduler
   | Hardwaremodul | Kjernekomponent / Spesifikasjon | Hovedfunksjon |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Kontrollenhet (MCU) | AT89C2051 mikrokontroller | Behandler målingsdata (beregning, lagring); responderer på konsentrator kommandoer (overfør energidata, utfør strøm på/av); kontrollerer visning. |
   | Energi konverteringskrets | AD7755 høy presisjon integrert chip| Konverterer brukerforbruket energi (kW·h) til digitale pulser behandlebar av MCU; en kjerneegenskap av elektroniske målere. |
   | Bærebølge kommunikasjonsmodul | - | Kobler seg til strømlederen gjennom en koblingskrets; modulerer og demodulerer digitale og analoge signaler for toveis dataoverføring. |
   | Visningsenhet | - | Viser energiforbruk, tid, bruksperioder (topp/flat/dal), priser, etc., drevet av programvare. |
   | Relé | - | Mottar MCU-kommandoer; forbli lukket under normal drift, utfører strøm avslutning i tilfelle ubetalte gebyrer eller fjerne kommandoer for energistyring. |
   | Data lagring | 24CoX serien lagringschip | Lagrer viktig data (f.eks. energiforbruk) under strømtap; støtter lagring uten strøm, lang lagringstid, og bruker I2C les/skriv metode. |
   | Måler strømforsyning | - | Gir stabil strøm til alle hardwarekretser, inkludert MCU, kommunikasjonsmodul, og visningsenhet. |
   | Strømavslutningsdeteksjon & Watchdog | - | Strømavslutningsdeteksjon: Overvåker spenning og utløser dataproteksjon ved unormaliteter; Watchdog: Forhindrer program deadlocks og muliggjør system autogjenoppstart. |
3. Måler arbeidsprinsipp
   • Energimåling: Brukerenergiforbruk konverteres til digitale pulser av AD7755-chippen. MCU teller et bestemt antall pulser som 1 kW·h basert på forhåndsinnstilte parametre og akkumulerer og lagrer dem etter topp, flat, og dal perioder.
   • Data interaksjon: Datakonsentratoren gir måle- eller kontrollkommandoer. Måleren overfører lagrede energidata via bærebølgemodulen over strømlederen. Hvis en strømavslutningskommando mottas, kontrollerer MCU umiddelbart relén for å utføre strømavslutningsoperasjonen.
   • Unormalitetsbeskyttelse: Strømavslutningsdeteksjonskretsen varsler MCU om å hurtigt overføre viktig data til 24CoX-chippen når strømunormaliteter oppdages. Watchdog-modulen tvinger en systemgjenoppstart ved programfeil, for å sikre pålitelighet.

III. Design av smart målers programvare

1. Programmeringsmetode og kjernemål
   En blanding av assembler- og C-språk brukes for programmering, balanserer program effektivitet og utviklings fleksibilitet. De kjernemålene er å automatisere og intelligentisere målerens funksjoner mens man minimerer MCUs lagringsforbruk.
2. Hovedprogrammoduler
   • Datainnsamling og behandlingsmodul: Samler energipulser, beregner totalt brukerenergiforbruk, og kategoriserer statistikk etter periode (topp/flat/dal).
   • Kommunikasjonsinteraksjonsmodul: Muliggjør toveis kommunikasjon med konsentratoren, inkludert klokkesynkronisering, overføring av sanntid/månedlige energidata, og mottak og utførelse av relékommmandoer (f.eks. strøm på/av kontroll).
   • Beskyttelses- og unormalitethåndtering modul: Integrerer programvare watchdog, pålitelig strømpå determinasjon (forhindrer datakorrupsjon), strømavslutningsdeteksjon, og dataprosessering, samhandler med hardware for å sikre systemstabilitet.
   • Periode- og prishåndtering modul: Setter periode regler for flerprisd applikasjoner, bestemmer nåværende periode sanntid, og gir grunnlag for differensiell måling.
   • Visningskontrollmodul: Drevet visningsenhet for å vise energiforbruk, tid, priser, og annen informasjon som trengs, sikrer intuitiv datavisualisering.
3. Hovedprogramflyt for programvaren
   Etter systemoppstart, utføres en "pålitelig strømpå" determinasjon→parametre initialiseres eller historiske data leses basert på determinasjonsresultatet→tidsintervaller settes og nåværende bruksperiode bestemmes→sjekker om det er måledag og data forberedes→strømavslutning detekteres sanntid og beskyttelse utløses→bærebølgekommandoer detekteres og kommunikasjonsbehandling utføres→intervaller resettes, og syklusen gjentar seg. (Se figur 2 i originaldokumentet for detaljert flyt.)

IV. Fjernmålesystem og anvendelsesutsikter

1. Systemkomposisjon og funksjoner
   Det komplette fjernmålesystemet består av tre deler:
   • Smart måler: Ansvarlig for terminal måling og kommandoutførsel.
   • Datakonsentrator: Ansvarlig for mellomliggende dataaggregering og kommandofordeling.
   • Backend administrasjonssystem: Ansvarlig for datastatistikk, analyse, linjetapsberegning, unormalitetsvarsler, og rapportgenerering.
   Kjernefunksjonen til systemet er å oppnå full automatisering fra energisamling→datatransmisjon→statistiske forespørsler→linjetapsanalyse→unormalitetsvarsler→rapportgenerering, fullstendig erstatter manuell måling.
2. Fordeler og utsikter
   Sammenlignet med trådløse eller dedikerte løsninger, benytter dette systemet eksisterende strømledere, tilbyr lave investeringskostnader, lett vedlikehold, og betydelig potensial for bred anvendelse. Det legger en solid teknisk grunnlag for fremtidige smarte samfunn for å oppnå "fjernoverføring av tre målere" (strøm, vann, gass) og kan videre integreres med bankesystemer for automatisk strømgebyrbetrekk, øker betydelig boligbeboers bekvemmelighet.
3. Fremtidige utfordringer
   • Teknisk nivå: Fortsatte forbedringer i måldatahenting hastigheter (sikrer vellykket datatransmisjon) og optimalisering av relé algoritmer for å forbedre kommunikasjon stabilitet i komplekse strømledemiljøer.
   • Anvendelsesnivå: Tilpasning til strømreform trender, fremme dypere integrasjon av systemet med avanserte administrasjonsfunksjoner som belastningsregulering og energibesparelsesanalyse.